PCB電源布線設(shè)計(jì)印制導(dǎo)線溫升與導(dǎo)線寬度和負(fù)載電流的關(guān)系

1、PCB 電源布線設(shè)計(jì)印制導(dǎo)線溫升與導(dǎo)線寬度和負(fù)載電流的關(guān)系高峰鴿，宜健（1中興通訊股份有限公司手機(jī)產(chǎn)品體系，西安710065；2陜西通信規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710065）摘要：本文闡述了PCB 電源分配網(wǎng)絡(luò)布線需要關(guān)注的幾個(gè)方面，提供了量化設(shè)計(jì)的方法和工具。結(jié)合案例，介紹了電源通流能力可靠性設(shè)計(jì)的方法。關(guān)鍵詞：PCB 電源；導(dǎo)線寬度；負(fù)載電流中圖分類號：TP205文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A8329（2011）04-0052-05文章編號：1003-Power PCB Layout Design The RelationshipBetween the Printed Wire Temperature

2、 Rise Width and Load CurrentGAO Feng-ge ，YI Jian（1Handset Product Division of ZTE Corporation ，Xian 710065，China ；2Shanxi TelecommunicationsPlanning and designing institute co，ltd ，Xian 710065，China ）Abstract ：This paper describes several rules on the layout design of PCB power distribution net-work

3、 ，provides a quantitative design methods and toolsWith case ，we present a reliability design of power flow capacityKey words ：PCB power ；wire width ；load current1概述2電源走線的直流特性電阻手機(jī)單板的電源對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。由于電源布線不合理，會造成手機(jī)使用過程中發(fā)熱、發(fā)燙，甚至電池爆炸等事故。究其問題根源是由于手機(jī)PCB 高度密集，在設(shè)計(jì)時(shí)對電源走線的電流承載能力、電源線上的溫升、電源線上產(chǎn)生的壓降和功耗等量化不夠造成的。以下

4、內(nèi)容將從電源走線的直流特性入手，介紹手機(jī)剛性PCB 電源布線可靠性設(shè)計(jì)方法。電流流過PCB 印制線時(shí)，由于印制線直流電阻的存在，會引起電源電壓跌落和線上的功耗。情況嚴(yán)重時(shí)可能引起供電電源的效率下降，系統(tǒng)過熱，甚至引發(fā)系統(tǒng)故障。印制線的直流電阻與幾何尺寸的關(guān)系見圖1。由公式可知，導(dǎo)體的電阻與長度和材料的電阻率成正比，與截面積成反比。導(dǎo)體的長度越長電阻越大，截面積越大電阻越小。PCB 上存在的兩種形式的銅，即純銅和電鍍銅，PCB 內(nèi)層走線的銅可以看作是純銅，PCB 外層印制線為基銅（純銅）加電鍍銅，金屬化孔為電鍍銅。純1975年生，*作者簡介：高峰鴿，現(xiàn)任職中興通訊手機(jī)事業(yè)部，從事手機(jī)PCB 工藝

5、研究及手機(jī)PCB 設(shè)計(jì)；著有專利一種印制線路板消除PCB 表面銅箔爆起的工藝處理方法及等。銅和電鍍銅及其它PCB 上常用表面處理材料金在25C 時(shí)電阻率見表1。電鍍銅的電阻率比純銅高約35倍 。如果Core 電源是15V ，這樣的設(shè)計(jì)會使將近02V 的電壓損耗在線上，到芯片時(shí)電壓已經(jīng)只有13V ，低于芯片要求的15V 10%，芯片可能無法工作。功耗知道負(fù)載的工作電流，計(jì)算出了電源走線的直流電阻后，很容易計(jì)算出走線上功耗。W =I 2*R2接上面的例子，功耗W =（7A ）*283m =13867毫瓦=14瓦。圖1表1材純銅電解銅金料直流電阻的計(jì)算PCB 材料的電阻率cm ）電阻率（-17060

6、22in ）電阻率（-067236087線上的功耗會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使PCB 印制線的溫度升高。這個(gè)線上的溫升高達(dá)70度。溫升的計(jì)算在下節(jié)詳細(xì)描述。以上這個(gè)舉例僅僅只考慮了電源線，其回路被認(rèn)為是GND 大平面，電阻是被忽略的。如果電源的回路15V_return與15V 電源一樣設(shè)計(jì)，則壓降和功耗都要求加倍。在電源的PCB 走線中，還有一個(gè)不可忽略的內(nèi)厚容是走線中的過孔。過孔的電阻的計(jì)算見圖2，度15mm 的PCB ，一個(gè)完成孔徑為045mm /18mil，孔鍍層為1mil 的過孔的電阻為24毫歐姆 。3電源走線的載流能力與溫升設(shè)計(jì)PCB 時(shí)，電源網(wǎng)絡(luò)需要線寬多少，除了上壓降、功耗之外，另一個(gè)需要重

7、點(diǎn)一節(jié)提到的電阻、考慮的是電源線上的溫升。溫升的計(jì)算依據(jù)是IPC （Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits ）標(biāo)準(zhǔn)或者美國軍標(biāo)。對于剛性PCB ，目前普遍采用的是IPC 2221Generic Standards on Printed Board Design 。計(jì)算方法，首先根據(jù)最大的工作電流Max_Current和允許的溫升指標(biāo)Temp_Rise，計(jì)算出要求導(dǎo)體的截面積圖2過孔的電阻壓降計(jì)算出了電源走線的直流電阻后，就很容易計(jì)算出走線上的電壓，即電源電壓跌落。V =I *R舉例1：以一個(gè)芯片的core

8、電源的電源走線為core 電流為7A ，core 電源走線寬度設(shè)計(jì)為1mm ，例，從電源管理芯片到射頻芯片的線長度為30mm ，銅厚度05OZ 。6線上的電阻=17*10*3/00018*01Area ，然后由截面積Area 和印制線的銅厚Thick-ness ，計(jì)算出印制線的寬度Width 。印制線的銅厚，OZ （盎司）是重量國內(nèi)PCB 廠家習(xí)慣用OZ 來表示，的單位，實(shí)際指的是每平方英尺銅的重量（oz 數(shù)）。1盎司銅壓延成一個(gè)平方英尺，那么銅的厚度是1378mil （0035mm ）。兩個(gè)計(jì)算公式如下，注意變量。所使用的單位Area mil =2(Max Current Amps k *（

9、Temp Rise C ）b1/cmil 2Area Width mil =Thickness oz *1378mils /ozIPC 2221中，公式中系數(shù)的取值如下：PCB 內(nèi)層：k =0. 024，b =0. 44，c =0. 725。=283m 電壓降V =I *R =7A*283m =1981mVPCB 外層：k =0. 048，b =0. 44，c =0. 725。41PCB 電源布線大電流導(dǎo)線寬度快速查表法表2PCB 布線電流快速參考表電流（A ）厚度1. 5oz5. 14. 33. 532. 62. 41. 91. 71. 351. 10. 7（溫度上升超過環(huán)境溫度10度）4電

10、源走線的工程應(yīng)用寬度（mm ）2. 521. 51. 210. 80. 60. 50. 40. 30. 2根據(jù)電流的大小，銅箔的厚度與寬度，可以計(jì)算出導(dǎo)線的電阻值和功耗；反過來根據(jù)電流的要求，銅箔的發(fā)熱要求，可以確定導(dǎo)線線寬。工程師在設(shè)計(jì)數(shù)字電路的時(shí)候，很容易忽略走線寬度的問題，尤其是設(shè)計(jì)高密互連數(shù)字電路時(shí)，走線寬度不在考慮范圍里面。通常情況下，都會嘗試用最小的線寬去設(shè)計(jì)走線，這時(shí)，在大電流時(shí)，將會導(dǎo)致很嚴(yán)重的問題。上面的公式用于計(jì)算線寬與電已經(jīng)應(yīng)用了幾十年，通過這個(gè)公式可流之間的關(guān)系，以很合理的去計(jì)算走線的寬度。在實(shí)際工程應(yīng)用中，我們希望有更快捷的方法來確定電源導(dǎo)線的線寬。厚度1oz 4.

11、543. 22. 72. 321. 61. 351. 10. 80. 55厚度2oz65. 14. 23. 63. 22. 82. 321. 71. 30. 942PCB 電源布線 大電流導(dǎo)線寬度快速查圖法圖3印制導(dǎo)線溫升與導(dǎo)線寬度和負(fù)載電流的關(guān)系43PCB 電源布線大電流導(dǎo)線寬度快速計(jì)算法除了上述查表和查圖的方法，目前有將公式設(shè)在相應(yīng)的表格填入計(jì)成圖4形式的Excel 計(jì)算表，需求，即可得出內(nèi)外層不同的線寬 。一些刮銅處理帶來的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。在一些關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)上不能更改設(shè)計(jì)資料 。要求廠家嚴(yán)格按設(shè)計(jì)原稿制作，圖5電源走線實(shí)例下面這個(gè)案例說明PCB 廠家刮銅造成的后果。PCB 廠家在加工PCB 時(shí)，對

12、NPTH （非金屬化孔）的基材圈為了保證有40mil 的間距，而進(jìn)行了刮銅處PCB 設(shè)計(jì)并沒有這樣的要求。光繪文件原稿設(shè)理，圖4通流能力計(jì)算表功耗、溫升等要計(jì)線寬68mil 滿足電源負(fù)載電流、求，供應(yīng)商修改后的工程菲林線寬只有63mil ，在對壞板磨片分析后發(fā)現(xiàn)有些電源線太細(xì)而燒斷，造成斷路，不能工作 。core 電流2A ，上述例子的條件采用正向設(shè)計(jì)，控制電源線上的溫升為10度，選用銅厚05OZ 得到的結(jié)果。內(nèi)層走線線寬要求為160mil ，壓降為63mV ，功耗為013W 。外層線寬要求61mil ，壓降為163mV ，功耗為033W 。外層的散熱條件好，同樣的溫升外層線寬可以窄很多，但注

13、意它的壓降和功耗比同樣溫升的內(nèi)層高。當(dāng)電源的走線較長時(shí)，我們有必要將溫升控制得越低越好，這樣線上的壓降和功耗都低了。在布線空間允許，不影響其它高速信號線的特征阻抗，以及在能處理好信號的回流路徑的情況下，電源線越寬越好。圖6PCB 刮銅處理實(shí)例5電源走線的實(shí)例6電源孔的可靠連接關(guān)注電源通道上的瓶頸，用銅皮來實(shí)現(xiàn)電源的連接時(shí)，需要關(guān)注避讓孔和線等給通道上造成的瓶頸。由于設(shè)備上電時(shí)的沖擊電流比最大工作電流大，瓶頸處的溫升過高會燒斷銅皮，甚至燒焦板子，造成PCB 板材碳化漏電引起火災(zāi)。圖5中電源的主要通道寬度為250mil ，但箭頭所指的瓶頸處的寬度只有20mil 。用的銅厚只有05OZ ，當(dāng)2A 電

14、流流過瓶頸處時(shí)，局部的溫升大于270度。瓶頸處的另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)可能來自PCB 廠家，由于各廠家加工工藝不同，個(gè)別廠家可能會局部刮銅處理。所以在設(shè)計(jì)時(shí)就要盡量考慮各PCB 廠家加工工藝，避免由于廠家為了適應(yīng)大批量生產(chǎn)而采取的在電源孔的連接設(shè)計(jì)時(shí)，需要特別注意：用圖2的公式計(jì)算通流能力時(shí)，由于形成孔壁的電鍍銅的電阻率是純銅的35倍，用孔的周長作為導(dǎo)體寬度來計(jì)算孔的工作電流時(shí)需要降額，最好是降額1/2（典型設(shè)計(jì)） 2/3（保守設(shè)計(jì)）。2mm 連接器的孔徑是24mil ，例如，孔周長是754mil ，按溫升10度，這個(gè)孔計(jì)算的電流可達(dá)2安培，考慮降額，單層連接時(shí)最好只分配這個(gè)孔06 1安培。表3是一層1O

15、Z 銅線與過孔連接時(shí)過孔的電控制溫升10 C ，孔壁鍍層1OZ 。流承載能力參考，注意，這個(gè)電流承載能力不是指連接器針的，而是一層1OZ 銅線與孔壁接頭處的電流承載能力。過孔但是計(jì)算機(jī)理是相同的，將孔等效比導(dǎo)線要復(fù)雜些，將孔壁轉(zhuǎn)開來。地看成布線，表3常用過孔的電流的承載能力參考（溫升10C ）孔徑（mil ）電流的承載能力范圍（A ）保守設(shè)計(jì)0. 200. 300. 330. 380. 450. 560. 640. 750. 921. 211. 511. 802. 24典型設(shè)計(jì)0. 300. 450. 500. 580. 680. 850. 971. 141. 401. 832. 292. 7

16、23. 40多打電源孔導(dǎo)通。單板的電源對于系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性至關(guān)重要，PCB 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該量化電源線的電流承載能力，量化并控制好電源線上的溫升、壓降和功耗。特別注意避免電源通道上的瓶頸處的通流能力不足引起溫升過高。對于關(guān)鍵部位的電源節(jié)點(diǎn)，如功放電源入口，要增加冗余設(shè)計(jì)，降低金屬化孔疲勞裂紋給系統(tǒng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)。參考文獻(xiàn)1Robert KollmanConstructing Your Power Supply LayoutConsiderations Z Texas Instruments Incorporated ，20052Don BarkerMeeting at University of Mar

17、yland to discussmethod to develop the stress on copper versus temperature curve Z College Park ，MD ，18May 20053Keith Rogers ，Craig Hillman ，and Michael PechtCon-ductive Filament Formation Failure in a Printed Circuit Board J Circuit World ，Vol25（3），pp68，19994Michael FredaInterconnect Stress Testing ，Historical Baseline Cycle to Failure Date and Analysis Results from Upcoming Generation of Lead Free Server C Dong-HKPCA2004Confer-guan ，Peoples Republic of china ，ence ，9December 2004（收稿日期：2011-07-27）孔徑（mm ）0. 130. 200. 250. 300. 380. 510. 610. 761. 021. 522. 032